中文引用格式： 史會(huì)賢，馬琳,，許駿. 數(shù)字化F-P前端的仿真驗(yàn)證[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,，2025，51(1)：94-102.
英文引用格式： Shi Huixian,，Ma Lin,，Xu Jun. Simulation validation of a digital F-P control system front-end[J]. Application of Electronic Technique，2025,，51(1)：94-102.
引言
Fabry-Pérot（簡(jiǎn)稱F-P）干涉儀由Fabry和Pérot于1899年提出[1],，具有極強(qiáng)的光譜分辨本領(lǐng),，在天文、通信和環(huán)境檢測(cè)等多個(gè)方面都有廣泛應(yīng)用,。F-P的高透過率,、較大通光孔徑和中心波長(zhǎng)易調(diào)節(jié)都使它成為很理想的微光探測(cè)儀器。此外,，F(xiàn)-P采用不同的腔體材質(zhì)和膜層介質(zhì)可以讓其在各個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)使用[2],。天文上實(shí)際使用的F-P濾光器由光學(xué)機(jī)械部件和控制器兩大核心組成。光學(xué)核心部件是兩塊嚴(yán)格平行的光學(xué)平板,，實(shí)現(xiàn)極窄帶濾光,，并通過調(diào)節(jié)平板間距實(shí)現(xiàn)中心波長(zhǎng)掃描。
F-P要實(shí)現(xiàn)高透過率和強(qiáng)光譜分辨本領(lǐng),，需要確保平行玻璃板的平行度,，以及板間距離的穩(wěn)定精確的調(diào)節(jié),，這一功能由電路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，即由F-P控制器實(shí)現(xiàn),。本文延用基于壓電陶瓷促動(dòng)器的電容式伺服F-P電路控制系統(tǒng)并做了重要改進(jìn),。電容式伺服F-P控制系統(tǒng)基于差分電容原理，利用差分電容傳感器將F-P濾光器平行板的平行度信息轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,，并將電壓信號(hào)作用在壓電陶瓷促動(dòng)器上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋控制,。
F-P濾光器平行板上電容電極板和壓電陶瓷促動(dòng)器布置方式多種多樣，如圖1所示,，F(xiàn)-P平板內(nèi)側(cè)上下表面鍍制上導(dǎo)電膜,，當(dāng)兩個(gè)平行板相對(duì)放置時(shí)，會(huì)形成5個(gè)電容器,，與一個(gè)外接的參考電容器一起組成了3條通道（圖2）,，其中x通道和y通道用來檢測(cè)F-P濾光器平行板x、y方向的平行度,，z通道的電容與外接標(biāo)準(zhǔn)電容相連,，用來檢測(cè)間距變化。
圖1 F-P濾光器電容對(duì)與陶瓷壓電促動(dòng)器示意圖
在前人成功的技術(shù)路線中,，普遍采用電路產(chǎn)生兩路等大反相信號(hào)以驅(qū)動(dòng)電容差分測(cè)量電路,，輸出攜帶平行度信息的電壓信號(hào)，經(jīng)由相敏檢波電路檢出后驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷促動(dòng)器改變平行度和間距,，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋調(diào)節(jié),。
圖2 典型電容式F-P模擬控制電路簡(jiǎn)化圖
三條通道電路一致，以其中一條為例,。在x路,，Jones等人采用變壓器產(chǎn)生兩路等大反相的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)差分電容檢測(cè)電路檢測(cè)極微弱信號(hào),，并采用方波與正弦波相乘的“Chopper”方式實(shí)現(xiàn)相敏檢波,。當(dāng)使用變壓器時(shí)，由于工藝的限制,，繞組無(wú)法對(duì)稱,，難以產(chǎn)生真正的對(duì)稱正弦波，Jones等人采用了復(fù)雜的補(bǔ)償電路,，未解決這一問題[3],。為此，王良凱等人將這部分電路改進(jìn)為運(yùn)放實(shí)現(xiàn),，信號(hào)對(duì)稱度達(dá)到10-6,，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間可達(dá)到4小時(shí)，但隨時(shí)間漂移的問題仍沒有根本解決[4],。
其二,，對(duì)于相敏檢波部分，理論上,，應(yīng)當(dāng)采用正弦參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)（即差分電容對(duì)的輸出信號(hào)）相關(guān),，王良凱等人估算出此時(shí)相位裕度約為，然而,，當(dāng)采用“Chopper”方式進(jìn)行相關(guān)時(shí),，相位寬容度急劇下降，MATLAB仿真顯示1°的相位漂移即可導(dǎo)致檢出誤差超過容許范圍,，而傳統(tǒng)的基于RC的移相電路,，1°的穩(wěn)定度是難以實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)上述分析,，結(jié)合電子技術(shù)近期發(fā)展,，本設(shè)計(jì)提出兩個(gè)改進(jìn)點(diǎn)：
（1）不再使用對(duì)稱正弦波驅(qū)動(dòng)差分電容對(duì)，而采用單一正弦波驅(qū)動(dòng),；
（2）將模擬相敏檢波器（Phase Sensitive Detection,，PSD）改進(jìn)為數(shù)字相敏檢波器（Digital Phase Sensitive Detection，DPSD）,，從而真正實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算,。
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作者信息：
史會(huì)賢1，2,，馬琳1,，3，許駿1,，3
（1.中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái),，云南 昆明 650216；
2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),，北京 101408,；
3.云南省太陽(yáng)物理與空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650216）
